Combustion
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Vitesse du front de flamme et explosion

Dans le cas d'une flamme de prémélange, la combustion est caractérisée par la vitesse du front de flamme :

  • La déflagration : la vitesse du front de flamme est inférieure à la vitesse (On distingue :) du son (330 m/s sous une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de 1 atm à 20 °C) ;
  • La détonation (Une détonation est une onde de combustion extrêmement violente, qui se propage à une vitesse supersonique.)  : la vitesse du front de flamme est supérieure à la vitesse du son, et peut atteindre plusieurs kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.) par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une...).

Énergie dégagée et pouvoir calorifique

La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) d'énergie dégagée par la réaction est supérieure à la quantité d'énergie nécessaire à l'initier

La quantité d’énergie produite par la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) est exprimée en joules (J) ; il s'agit de l'enthalpie (L'enthalpie (du préfixe en- et du grec thalpein: chauffer) est une fonction d'état de la thermodynamique, dont la variation permet d'exprimer la quantité de chaleur mise en jeu pendant la...) de réaction. Dans les domaines d'application (fours, brûleurs, moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie...) à combustion interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable...), lutte contre incendie), on utilise souvent la notion de pouvoir calorifique, qui est l'enthalpie de réaction par unité de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) de combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant...) ou l'énergie obtenue par la combustion d'un kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse dans le Système international d’unités (SI).) de combustible, exprimée en général en kilojoule par kilogramme (noté kJ/kg ou kJ·kg-1).

Les combustions d'hydrocarbures dégagent de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) sous forme de vapeur (). Cette vapeur d'eau contient une grande quantité d'énergie. Ce paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) est donc pris en compte de manière spécifique pour l'évaluation du pouvoir calorifique, et l'on définit :

  • le pouvoir calorifique supérieur (PCS) : « Quantité d'énergie dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée condensée et la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) récupérée ».
  • le pouvoir calorifique inférieur (PCI) : « Quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée non condensée et la chaleur non récupérée ».

La différence entre le PCI et le PCS est la chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps pour qu'il...) de vaporisation de l’eau (Lv) multipliée par la quantité de vapeur produite (m), qui vaut à peu-près 2 250 kJ·kg-1 (cette dernière valeur dépend de la pression et de la température).

On a la relation PCS = PCI + m·Lv.

Application en astronautique

La combustion est utilisée dans le domaine de l’astronautique pour fournir l’énergie de propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force motrice l'énergie fournie par le milieu extérieur ou par un moteur.) des engins spatiaux. Les termes correspondants en anglais sont burning et combustion.

Selon le type de combustion employée dans un propulseur, on parle de :

  • Combustion en cigarette (en anglais cigarette burning et end burning) qui est une combustion d'un bloc de poudre (Un bloc de poudre, dans le domaine de l'astronautique, est un bloc de propergol solide, coulé dans une enveloppe ou préformé, dont la forme est adaptée à une évolution...) caractérisée par une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la lame. Elle permet le...) de combustion progressant dans la direction longitudinale, vers l'avant ou vers l'arrière ;
  • Combustion érosive (en anglais erosive burning) qui est une combustion d'un bloc de poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au...) dans le cas où l'écoulement des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...) de combustion provoque une érosion du bloc ;
  • Combustion transversale extérieure (en anglais external burning) qui est une combustion d'un bloc de poudre caractérisée par une surface de combustion s'étendant longitudinalement et progressant de l'extérieur vers l'intérieur ;
  • Combustion transversale intérieure (en anglais internal burning) qui est une combustion d'un bloc de poudre qui s'effectue de l'intérieur vers l'extérieur à partir d'un canal central.

Feux de métaux

L'oxydation des métaux est en général lente (La Lente est une rivière de la Toscane.). La chaleur dégagée est donc faible et est lentement dissipée dans l'environnement ; c'est le domaine de la corrosion (par exemple la rouille du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme...) et de l'acier).

Cependant, dans certains cas, l'oxydation est violente et constitue donc une combustion. Il existe cinq cas notables :

  • combustion dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il...) du magnésium : le magnésium brûle facilement, en émettant une lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) très vive et blanche ; il était utilisé auparavant pour les flashs photographiques ;
  • combustion du sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état de corps pur...) dans l'eau : ce n'est pas à proprement parler le sodium qui brûle ; le sodium réagit violemment avec l'eau et provoque un dégagement de dihydrogène, et avec la chaleur produite par la réaction, le dihydrogène s'enflamme dans l'air ;
  • aluminothermie : le comburant (Un comburant est un corps chimique qui a pour propriété de permettre la combustion d'un combustible. Le principal comburant est le dioxygène.) est ici un oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également...) métallique, il s'agit d'une réaction chimique entre deux solides ;
  • combustion à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) et forte concentration de dioxygène : lorsque le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas...) est chauffé très fort et que l'on envoie du dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions normales de...) pur, la réaction est suffisamment rapide pour s'auto-entretenir ; ce phénomène est utilisé pour l'oxycoupage au chalumeau, la lance thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes...), et c'est aussi l'accident du « coup de feu » qui peut survenir avec un détendeur d'une bouteille de dioxygène (par exemple oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) médical ou bouteille de chalumeau) ;
  • combustion d'un métal sous forme de poudre ou de mousse : la réaction chimique se fait au contact entre le métal et l'air, or dans le cas d'une mousse ou d'une poudre, cette surface de contact (la surface spécifique) est très grande, la réaction est donc rapide et la chaleur dégagée importante ; c'est un phénomène comparable au coup de poussière.
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